Wspólny przodek całego życia – i krok jeszcze wcześniej
Koncepcja wspólnego przodka dla całego współczesnego życia na Ziemi jest dobrze ugruntowana w biologii. Nowa praca proponuje jednak spojrzeć krok dalej w przeszłość: część genów, które nadal działają w organizmach ze wszystkich domen życia, może być starsza niż ten wspólny przodek i pochodzić z jeszcze bardziej prymitywnych linii.
Kluczowa jest tu rzadko spotykana, ale bardzo cenna sygnatura genetyczna: duplikacje genów, które występują co najmniej podwójnie w praktycznie wszystkich głównych gałęziach życia. Według autorów śledzenie tych śladów pomaga odtwarzać, jakie funkcje pojawiły się w komórkach najwcześniej i jak kształtowała się biologia tuż przed tym, jak „drzewo życia” rozdzieliło się na swoje główne konary.
Ślad genetyczny sięgający dalej niż ostatni wspólny przodek
Ten wspólny przodek ma techniczną nazwę: LUCA (Last Universal Common Ancestor – ostatni uniwersalny wspólny przodek). LUCA nie jest pierwszym żywym organizmem na Ziemi. To raczej ostatni punkt zbieżny wszystkich linii ewolucyjnych, które przetrwały do dziś i które umiemy prześledzić – od bakterii i archeonów po organizmy jądrowe (w tym zwierzęta, rośliny i grzyby). Tak, także ludzi.
Im dalej w przeszłość sięgamy, tym trudniej o bezpośrednie dowody. Zapis kopalny bardzo słabo obejmuje tak odległy etap, więc genetyka staje się alternatywnym archiwum. Pytanie brzmi, które fragmenty tego archiwum przetrwały na tyle dobrze, by upływ czasu nie zatarł ich całkowicie.
Czym są parologi uniwersalne
W tym miejscu pojawia się pojęcie tzw. parologów uniwersalnych. Parolog to, w uproszczeniu, gen obecny w kilku kopiach w jednym genomie, ponieważ w pewnym momencie uległ duplikacji, a kopie zaczęły ewoluować własnymi ścieżkami. Wyjątkowość parologów uniwersalnych polega na tym, że ich zduplikowane i zachowane – choć zmienione – wersje występują u niemal wszystkich współczesnych organizmów. Sugeruje to, że sama duplikacja zaszła jeszcze przed LUCA.
Esej opublikowany w „Cell Genomics” przez Aarona Goldmana, Grega Fourniera i Betül Kaçar przekonuje, że te rzadkie duplikacje są jedną z niewielu realistycznych dróg badania etapu sprzed LUCA, na jeszcze bardziej pierwotnej Ziemi. Jeśli dana duplikacja występuje we wszystkich głównych gałęziach życia, musiała istnieć przed ich rozdzieleniem, a więc wskazuje na jeszcze wcześniejszy okres.
Jakie funkcje miały najstarsze geny
Analiza znanych parologów uniwersalnych prowadzi do konkretnego wzorca. Według autorów wszystkie te geny są powiązane z dwiema głównymi funkcjami: wytwarzaniem białek i transportem cząsteczek przez błony komórkowe. Oznacza to, że jeszcze zanim LUCA stał się „punktem wyjścia” współczesnego życia, komórki rozwiązywały już dwa podstawowe problemy: budowę własnej maszynerii biologicznej (białek) oraz kontrolę swojej fizycznej granicy (błony).
Rekonstrukcja białek przodków
Badacze zwracają też uwagę na kolejny krok: odtwarzanie, jak mogły wyglądać te pradawne białka. W poprzednich pracach związanych z tym podejściem zrekonstruowano dawne wersje białek odpowiedzialnych za wbudowywanie innych białek w błonę i ich przemieszczanie w jej obrębie. Istotna jest nie tylko sama rekonstrukcja, ale to, że te „uproczone” wersje mogły być funkcjonalne. Daje to wskazówkę, jak działały komórki na najwcześniejszych etapach swojego istnienia.
Dlaczego parologów uniwersalnych jest tak mało
Badanie podkreśla również, dlaczego katalog parologów uniwersalnych jest niewielki. Nie oznacza to koniecznie, że LUCA miał mało zduplikowanych genów. Z czasem wiele sygnałów po prostu znika. Niektóre geny giną w poszczególnych liniach, sekwencje zmieniają się tak bardzo, że trudno rozpoznać ich pokrewieństwo, a horyzontalny transfer genów (wymiana między mikroorganizmami) dodatkowo miesza ślad ewolucyjny.
Związek z powstaniem kodu genetycznego
Równolegle analiza łączy się z szerszym pytaniem o to, jak utrwalił się kod genetyczny. Część badań wskazuje na istnienie przodków sprzed LUCA dla kluczowych enzymów, takich jak syntetazy aminoacylo-ARNt. Odpowiadają one za łączenie aminokwasów z odpowiednimi cząsteczkami transportującego je RNA (tRNA), co jest niezbędne do budowy białek. Jeśli takie prekursory istniały jeszcze przed LUCA, przejście do bardziej nowoczesnego systemu translacji mogło być stopniowe i bardziej złożone, niż sugerują uproszczone schematy.
Co mogą nam jeszcze powiedzieć te geny
Podsumowując, zduplikowane geny nie opowiadają całej historii, ale mogą oświetlić jej najciemniejszy rozdział. Wraz z rozwojem narzędzi obliczeniowych – w tym metod opartych na sztucznej inteligencji do analizy wzorców ewolucyjnych – autorzy liczą na rozszerzenie mapy parologów uniwersalnych. Dzięki temu łatwiej będzie zawęzić listę elementów biologii komórki, które pojawiły się najwcześniej.
